Môi trường Rhodobacter – vi khuẩn quang hợp | Môi trường tăng sinh đậm đặc

Đã có rất nhiều nghiên cứu về nhóm vi khuẩn quang dưỡng và các ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp. Một trong số đó không thể không nhắc đến chi Rhodopseudomonas sp. với sức mạnh không thể bàn cãi trong lĩnh vực nông nghiệp nói riêng và trong tất cả các lĩnh vực nói chung.

Rhodopseudomonas palustris thuộc nhóm Vi khuẩn quang hợp (Phototrophic bacteria – PSB), là một loại vi khuẩn quang dưỡng tía không chứa lưu huỳnh. Vi khuẩn này sống cả trong đất và nước. Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên vi khuẩn này vì các đặc tính sau:

• Bản chất đa năng về mặt trao đổi chất (có thể sử dụng cả ánh sáng và các hợp chất hữu cơ để thu năng lượng).
• Sản xuất hydro (sản xuất nhiên liệu sinh học).
• Cố định carbon dioxide.
• Khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong cả điều kiện hiếu khí và kỵ khí.

Rhodopseudomonas palustris dưới kính hiển vi

1. Phân bố

Vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh (Purple non-sulfur photobacteria) thuộc ngành Proteobacteria. Chúng là vi khuẩn gram âm có khả năng quang hợp không sinh ôxi, thực hiện quang hợp nhờ khuẩn lục tố trong điều kiện kỵ khí.

Chúng có khả năng sử dụng điện tử từ hợp chất lưu huỳnh, hydrro phân tử hoặc hợp chất cacbon đơn giản. Vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh là nhóm phân bố rộng và đa dạng nhất trong Vi khuẩn quang dưỡng, nhờ tính đa dạng về hình thái, cấu trúc tế bào và đặc tính sinh lý.

Xem thêm 5 điểm khác nhau giữa vi sinh hiếu khí và vi sinh kỵ khí

Vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh phân bố rộng trong tự nhiên, ở nhiều thủy vực khác nhau từ môi trường nước ngọt đến môi trường có nồng độ muối cao, suối nước nóng, ao hồ, nước thải, khu vực gần hồ, khu vực trầm tích và trong đất ẩm đủ ánh sáng ở những nơi nhiều chất hữu cơ, chất thối rửa.

Một số loài được tìm thấy ở môi trường có độ pH thấp như Rhodosprillum Pseudomonas acidophila (pH thích hợp cho phát triển là 5,5), có loài chịu được nồng độ muối cao 50-70% như Rhodospeillum salinarum và R. salexigens được tìm thấy ở ruộng muối.

2. Phân loại

Molisch (1970) đã dựa trên sắc tố để phân loại vi khuẩn tía thành bộ Rhodobacteria với hai họ là Thiorhodaceae và Athiordaceae. Pfennig và Truper (1971) đổi tên bộ thành Rhodospirillales và họ thành Chromatiaceae và Rhodospirillaceae.

Năm 1984 Imhoff chia Vi khuẩn quang dưỡng tía lưu huỳnh thành hai họ Chromatiacea, Ectothiorhodospiraceae và Vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh thành họ Rhodospirillaceae. Theo Hansen (1974), họ Rhodospirillaceae có khả năng sử dụng sulfide, ôxi hóa sulfide thành sulphate, tetrathiornate hoặc tạo lưu huỳnh bên ngoài tế bào.

Vi khuẩn quang dưỡng không lưu huỳnh là nhóm quan trọng nhất trong tất cả các vi khuẩn quang dưỡng. Chúng có khả năng quang năng dị dưỡng, thu nhận năng lượng từ ánh sáng và nguồn carbon là cá hợp chất carbon đơn giản.

Tuy nhiên cũng có nhiều giống tăng trưởng theo phương thức quang năng tự dưỡng với nguồn carbon chính là CO₂. VKQD tía không lưu huỳnh có khả năng quang dưỡng trong điều kiện kỵ khí hoặc hiếu khí trong tối và không tạo lưu huỳnh bên trong tế bào.

Phân loại chi tiết Vi khuẩn quang hợp (Phototrophic bacteria – PSB)
(nguồn: Vi sinh vật học – Phần 1: Thế giới vi sinh vật – GS. TS Sinh học Nguyễn Lân Dũng)

3. Đặc điểm sinh lý của Rhodopseudomonas palustris

3.1. Kiểu biến dưỡng

Trong số tất cả các đặc tính hữu ích khác nhau của vi khuẩn này, điều chính thu hút các nhà nghiên cứu là bản chất trao đổi chất linh hoạt của chúng. Vi khuẩn Rhodopseudomonas palustris có thể tự duy trì ở bốn trạng thái trao đổi chất khác nhau: quang năng tự dưỡng, quang năng dị dưỡng, hóa năng tự dưỡng và hóa năng dị dưỡng.

Bản chất trao đổi chất này giúp những vi khuẩn này phát triển ngay cả trong điều kiện yếm khí và tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng ánh sáng hoặc các hợp chất hữu cơ khác nhau.

Xem thêm Sự khác biệt giữa vi sinh vật tự dưỡng và vi sinh vật dị dưỡng

Dựa trên bản chất của những vi khuẩn này, chúng có thể cảm nhận được những thay đổi của môi trường và thay đổi con đường trao đổi chất của chúng tùy thuộc vào sự thay đổi đó. Điều này giúp ích trong việc sử dụng vi khuẩn cho các ứng dụng công nghệ sinh học.

Thậm chí vi khuẩn này có thể điều chỉnh quá trình quang hợp của nó dựa trên ánh sáng sẵn có. Nó có thể phân hủy nhiều hợp chất thơm khác nhau được sản xuất như chất thải công nghiệp và không thể phân hủy dễ dàng.

Họ Rhodospirillacea trong nhóm vi khuẩn quang dưỡng có khuynh hướng quang dị dưỡng mạnh nhất, sử dụng nguồn carbon trong các hợp chất hữu cơ đơn giản cho quá trình đồng hóa. Nhiều chủng sinh trưởng theo kiểu quang tự dưỡng, sử dụng hydrogen, sulfide hoặc thiosulphate làm chất cho điện tử để tạo lực khử NADPH cho quá trình cố định CO₂.

Đa số loài có khả năng hóa dị dưỡng trong điều kiện vi hiếu khí đến kỵ khí trong tối (sử dụng nguồn carbon và điện tử từ các hợp chất vô cơ trong hô hấp để thu lấy năng lượng). Một loài có khả năng hóa tự dưỡng chúng sử dụng các chất vô cơ làm chất cho điện tử và có khả năng cố định CO₂.

Các loài sinh trưởng theo kiểu hóa năng dị dưỡng có khả năng hô hấp như Rhodospirillum capsulatus, Rhodobacter sphaeroides, Rubirvivax gelatinosa, Rhodospirillum rubrum. Chúng có khả năng biến đổi nhanh từ kiểu biến dưỡng quang năng sang hô hấp khi điều kiện môi trường thay đổi.

Trường hợp ngoại lệ trong điều kiện thiếu ánh sáng, kỵ khí, VKQD tía không lưu huỳnh có thề lấy năng lượng từ quá trình lên men hoặc hô hấp kỵ khí. Uffen và Wolfe (1970) đã chứng minh Rhodospirillum rubrum sinh trưởng tốt trong điều kiện thiếu ánh sáng, hoàn toàn không có ôxi, nhưng khi có một số chất hữu cơ nhất định thì chúng có thể tạo năng lượng bằng con đường lên men yếu.

3.1. Chất cho điện tử và nguồn carbon

Đa số vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh có khả năng sử dụng nhiều loại carbon hữu cơ khách nhau làm chất cho điện tử và nguồn carbon. Acetate và pyruvate được vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh đồng hóa thông qua chu trình tricarboxylic acid. Succinate và acetate là nguồn cơ chất phổ biến ở nhiều loài vi khuẩn quang dưỡng.

Glucouse và fructose được chuyển hóa trong điều kiện quang năng hoặc hóa năng (hiếu khí, trong tối). Các loài Rhodobacter capsulatus và Rhodobacter sphaeroides sử dụng 2 loại đường này. Rhodobacter sphaeroides chuyển hóa glucose trong cả 2 điều kiện.

Citrate được một số loài Rhodopseudomonas acidophila, Rubrivivax gelatinosa, Rhodobacter sphaeroides sử dụng. Succinate hoặc malate được Rhodobacter sphaeroides, Rsp. Viridis sử dụng trong điều kiện kỵ khí. CO₂ là nguồn carbon quan trọng đối với vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh. Sự cố định CO₂ được thực hiện qua con đường Ribulose biphosphate carboxylase.

Đa số vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh không cần nguồn lưu huỳnh khử. Chúng có thể sử dụng sulphate là nguồn lưu huỳnh để đồng hóa. Thông thường chúng bị ức chế ở nồng độ sulfide 0,5 mM (trừ một sồ có khả năng kháng sulfide chịu được nồng độ 2-3 mM như Rhodomicrobium vannielii và ôxi hóa sulfide đến lưu huỳnh nguyên tố.

Một số loài tạo hạt lưu huỳnh ngoài tế bào ôxi hóa sulfide thành sunphate (như Rba. vekampii, Rba. Adriatycus, Rba. Euryhalinus, Rps. Rubum, Rps. Mediosalium).

3.2. Nguồn nitơ

Ammonia, nitơ phân tử và nhiều hợp chất nitơ hữu cơ được vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh sử dụng làm nguồn đạm. Khả năng cố định nitơ là đặc tính phổ biến ở vi khuẩn quang dưỡng tía. Nitrate chỉ được sử dụng ở một vài loài. Quá trình đồng hóa nitrate được cảm ứng bởi nitrate, nhưng bị ức chế bởi ammonia và glutamte.

Trong điều kiện kỵ khí và thiếu ánh sáng vài loài sử dụng nitrate, nitric, nitrous oxyde, dimethyl sulfoxide (DMSO) hoặc trimethylamine-N-oxide (TMAO) làm chất nhận điện tử cuối cùng trong hô hấp kỵ khí. Rhodobacter sphaeroides có khả năng sử dụng nitrate làm chất nhận điện tử. Rhodobacter capsulatws sử dụng đường làm chất cho điện tử và DMSO hoặc TMAO làm chất nhận điện tử cuối cùng.

Sự khử nitrate có khả năng xảy ra trong tối hoặc ngoài sáng nhưng bị ức chế bởi ôxi.

3.3. Quan hệ với ôxi

Đa số vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh có thể phát triển trong điều kiện từ ky khí đến hiếu khí và chịu được độc tính của các dẫn xuất ôxi hóa của ôxi. Một số chủng rất nhạy cảm với ôxi như Rhodopseudomonas capsultus, Rhodobacter sphaeroides và Rhodospirllum rubrum.

Khả năng chịu được ôxi thì khác nhau ở các loài. Khi có ôxi, huyền phù tế bào thường có màu nhạt hay không màu do ôxi ảnh hưởng đến sự hình thành sắc tố quang hợp của vi khuẩn quang dưỡng.

Khi nồng độ ôxi cao (Po;: 10 torr), sự hình thành sắc tố quang hợp và các phức hợp truyền điện tử trong màng quang hợp bị ức chế dẫn đến vi khuẩn quang dưỡng không thu được năng lượng từ ánh sáng mà chúng thực hiện hô hấp trong điều kiện vi hiếu khí trong tối.

4. Sức mạnh của Rhodopseudomonas palustris trong nuôi trồng thủy sản

4.1. Làm sạch chất nước của nước nuôi trồng

Trong quá trình nuôi trồng thuỷ sản, do sự tăng lên của cặn bã thức ăn vật phế thải của đối tượng nuôi tăng lên, chất nước bị ô nhiễm. Phương pháp truyền thống trước đây là thay một lượng nước lớn, xả bỏ nước cũ bị ô nhiễm, bơm vào nước sạch mới.

Song do sự hạn chế của hàng loạt nguyên nhân, biện pháp này chỉ trị ngọn chứ không trị từ gốc, theo sự ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng của sông, cái gọi là thay nước chỉ là nói một cách tương đối thôi, nước ô nhiễm thải ra từ trên thượng du, ở hạ du lại trở thành nước sạch được đưa vào nguồn nước nuôi.

Cứ tiếp tục như thế, không ngừng ô nhiễm, nước sau khi bị ô nhiễm, vật hữu cơ tăng lên, nồng độ các ion NH₄⁺/NH₃ , NO₂^– tăng lên có thể ảnh hưởng đến việc kiếm mồi sinh trưởng của tôm cá mà dẫn đến bệnh tật.

Cho nên nói nuôi tôm, cá trước hết là nuôi nước là vì vậy, nước trong sạch, loài cá ăn mồi nhiều, sinh trưởng nhanh, bệnh tự nhiên ít, và ngược lại.

Nếu trong quá trình nuôi, định kỳ cho một lượng Rhodopseudomonas palustris thích hợp vào nước nuôi, có thể làm mất ion N trong nước và các vật sinh ra do phân giải vật hữu cơ khác từ đó đạt tới việc không thay nước mà vẫn có thể giữ được môi trường nước tốt.

Ðiều đó chủ yếu là do Rhodopseudomonas palustris ở trong nước có thể lợi dụng vật hữu cơ làm vật cung ứng H để tiến hành tác dụng quang hợp, đồng thời với việc loại bỏ vật ô nhiễm, bản thân Rhodopseudomonas palustris cũng sinh sôi tăng trưởng, đạt tới tác dụng tuần hoàn ưu việt.

Tư liệu cho biết, tưới vãi toàn ao từ 5 – 15ppm Rhodopseudomonas palustris (nồng độ là 40 triệu con/ml), 3 tiếng đồng hồ có thể cố định được vật hữu cơ, làm cho nước trong sạch.

Một ao có diện tích nuôi 30 mẫu (mẫu Trung Quốc bằng 666,6m2) nuôi bốn loại cá nuôi lớn, liên tục ba ngày cá nổi đầu, ngay cả cá rô phi, cá chép vây đỏ cũng nổi lên mặt nước. Chiều ngày thứ ba tưới vãi 200 kg Rhodopseudomonas palustris (nồng độ 300 triệu con/ml), sau ngày thứ tư thì không thấy nổi đầu, nước trở nên trong sạch.

Ngoài ra, theo tài liệu cho biết, trong ao nuôi tôm sử dụng Rhodopseudomonas palustris, có thể làm cho tổng lượng nitrogen ba cơ bản ổn định ở dưới 20 mg/m3, độ pH, hàm lượng ôxy giữ ở mức bình thường.

Trong thời kỳ nuôi giống tôm, he, cho Rhodopseudomonas palustris làm cho suốt thời gian nuôi giống không cần thay nước vẫn bảo đảm chất nước tốt, tỷ lệ giống nuôi có thể nâng cao 66,6%, dùng để làm sạch nước nuôi cá chình NH₃ có thể giảm 57,1%, hàm lượng ôxy tăng cao 54,6%.

Trong công nghiệp, vi khuẩn quang hợp thường dùng để xử lý nước ô nhiễm. Trong tự nhiên, nước bẩn nồng độ cao, trước tiên do vi khuẩn dị dưỡng phân giải các carbohydrate, lipid, protein thành vật chất phân tử cấp thấp như axit béo cấp thấp, aminô axit.

Tiếp đó Rhodopseudomonas palustris lợi dụng chất hữu cơ phân tử, lượng nhỏ như axit béo cấp thấp mà sinh sôi rất nhanh, xử lý nước bẩn BOD 95% trở lên. Sau đó, do loài tảo và vi sinh vật bùn đất hoạt tính làm cho BOD xuống tới tiêu chuẩn xả bỏ. Quá trình làm sạch nước bẩn vật hữu cơ trong công nghiệp chia thành 3 bước:

• Vật hữu cơ cao phân tử nồng độ cao khuẩn dị dưỡng axit béo phân tử thấp.
• Axit béo phân tử thấp vi khuẩn quang hợp vật hữu cơ nồng độ thấp.
• Vật hữu cơ nồng độ thấp loài tảo, bùn đất hoạt tính nước thải được làm sạch.

4.2. Dự phòng và điều trị bệnh

Do sự sinh sôi nhanh chóng của Rhodopseudomonas palustris, mà hạn chế sự sinh sôi của khuẩn khác gây bệnh (cơ chế cạnh tranh). Theo thông báo, vi khuẩn quang hợp có tác dụng rõ rệt đối với bệnh đỏ vỏ tôm, bệnh đen mang, bệnh khuẩn dạng sợi. Và Rhodopseudomonas palustris trong quá trình chuyển hoá có thể sinh ra loại men chống độc tố bệnh (men phân giải trypsin, có tác dụng dự phòng và chữa trị bệnh tôm cá).

Theo thông báo, vi khuẩn quang hợp có thể điều trị bệnh loét mang của cá chép do vi khuẩn dính gây nên. Theo thông báo khác, dùng Rhodopseudomonas palustris ít hơn 10 lần, đối với cá chép bị bệnh có lỗ, cá chình bị bệnh mốc nước và đỏ vây, bệnh cảm nhiễm do bị sát thương của cá trác đen, tắm thuốc từ 10 -15 phút, sau lại đem nuôi trong nước có thả một lượng thích hợp vi khuẩn quang hợp, độ nửa tháng có thể chữa khỏi.

Sử dụng lâu dài trong ao nuôi cua, có thể tránh xảy ra bệnh thiếu máu.

4.3. Làm thức ăn cho ấu thể tôm cá

Rhodopseudomonas palustris có giá trị dinh dưỡng rất cao hàm lượng protein đạt trên 60%, đồng thời còn chứa vitamin nhóm B phong phú và folacin, sinh vật tố và chất thúc lớn sinh vật chưa biết, chất lượng của nó thì men không có cách gì so sánh được.

Còn khuẩn thể của vi khuẩn quang hợp rất nhỏ (chỉ là 1/20 của tảo tiểu cầu), do đó, còn là thức ăn vừa miệng nhất của ấu thể cá, tôm, nhuyễn thể có vỏ. Trong quá trình nuôi ấu thể cá, tôm, nhuyễn thể có vỏ ứng dụng Rhodopseudomonas palustris có thể nâng cao tỷ lệ sống, tăng nhanh sự sinh trưởng, giảm bớt lượng nước thay.

4.4. Làm chất phụ gia cho thức ăn có chất lượng

Rhodopseudomonas palustris gồm vật chất sống có nhiều loại công năng thúc đẩy sinh trưởng và vật hoá hợp chất béo (nhân tố sinh trưởng). Do đó, nó có thể trực tiếp làm chất phụ gia cho thức ăn. Nếu trong thức ăn cho thêm Rhodopseudomonas palustris thì không cần phải thêm chất phụ gia vào thức ăn nữa.

Vì giá thành không cao, thông thường trong thức ăn tăng 0,5 -1% là có thể tăng rõ rệt hiệu quả thức ăn và tỷ lệ tăng trọng. Căn cứ kết quả thí nghiệm cho biết, Rhodopseudomonas palustris dùng cho nuôi cá chình Nhật Bản tỷ lệ tăng trọng có thể cao tới 10%, dùng để nuôi tôm he dưới 8 mm, mỗi mẫu có thể tăng sản lượng 12% dùng để nuôi cá nước ngọt, mỗi mẫu có thể tăng sản lượng 25%.

4.5. Tóm lại

Tóm lại, công dụng của Rhodopseudomonas palustris:

• Rhodobacter spp có khả năng xử lý triệt để khí độc H₂S, đồng thời kiểm soát các loại khí độc NH₃, NO₂ và điều hòa pH.
• sinh ra trong quá trình nuôi trồng thủy sản.
• Giảm lượng bùn hữu cơ ở đáy ao và để giữ cho đất cũng như nước ao khỏi ô nhiễm.
• Giảm nồng độ chất dinh dưỡng, cải thiện lượng oxy hòa tan và cân bằng sự phát triển của tảo
• Sử dụng chất thải hữu cơ BOD làm chất dinh dưỡng trong quá trình sinh trưởng nên sẽ giảm giá trị BOD và ngăn ngừa tăng giá trị BOD trong nước.
• Thúc đẩy sự phân hủy nhanh hơn của các chất hữu cơ như protein, lipid, carbohydrate, cellulose, ammonia, nitrite, nitrate, hydrogen sulfide và phosphate
• Giảm thiểu BOD, COD, TSS
• Thích nghi ở độ mặn, độ kiềm, nhiệt độ, pH, oxy hòa tan khác nhau.
• Hỗ trợ trong việc giảm và giải quyết độ đục
• Loại bỏ bùn hữu cơ dưới đáy ao, kiểm soát mùi hôi và tránh ô nhiễm nước
• Xử lý tảo dày, dọn dẹp xác tảo tàn và áp chế các loài vi khuẩn gây bệnh.
• Bổ sung dinh dưỡng, gia tăng hấp thu, giúp giảm chỉ số FCR trên tôm, cá.
• Thích nghi mạnh mẽ trong mọi điều kiện ao nuôi và phát triển tốt ở mọi tầng nước.
• Vi sinh kích hoạt rất nhanh – trong vòng 30 phút khi đánh xuống ao, phù hợp cho nước mặn và nước ngọt (độ mặn từ 0 đến 35 phần nghìn)

Nguồn: vietlinh.vn, nongnhan.com